WO2003038885A1 - Method for making a semiconductor component - Google Patents

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WO2003038885A1
WO2003038885A1 PCT/EP2002/011691 EP0211691W WO03038885A1 WO 2003038885 A1 WO2003038885 A1 WO 2003038885A1 EP 0211691 W EP0211691 W EP 0211691W WO 03038885 A1 WO03038885 A1 WO 03038885A1
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Thomas Hecht
Harald Seidl
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    • H10B12/038Making the capacitor or connections thereto the capacitor being in a trench in the substrate

Definitions

  • the present invention relates to a manufacturing method for a semiconductor component with a. multilayer dielectric layer provided in a substrate.
  • substrate is to be understood in the general sense and can therefore include both single-layer and multi-layer substrates.
  • So-called one-transistor cells are used in dynamic read / write memories (DRAMs). These consist of a storage capacitor and a selection transistor that connects the storage electrode to the bit line.
  • the storage capacitor can be designed as a trench capacitor or as a stacked capacitor.
  • the invention described here relates u. a. on any capacitors for such DRAMs in the form of trench capacitors and stack capacitors.
  • the structure size is reduced from generation to generation.
  • the ever smaller condensate door area and the resulting decreasing capacitor capacity leads to problems. It is therefore important to keep the capacitor capacity at least constant despite the smaller structure size. This can be achieved, among other things, by increasing the surface charge density of the storage capacitor.
  • a few materials with a higher dielectric constant have also been proposed for stacked capacitors. This explicitly includes Ta 2 Os and BST (barium strontium titanate). However, these materials are not temperature stable in direct contact with silicon or polysilicon. In addition, they are insufficiently temperature stable.
  • deposition processes with very good edge coverage and excellent layer thickness control (such as, for example, atomic layer deposition (ALD or ALCVD)), as a result of which the dielectric materials in structures with very high aspect ratios with very good edge coverage can be deposited in a controlled manner.
  • these proposed deposition processes are very good at Surface enlargement processes (e.g. wet bottle, HSG) can be combined.
  • Atomic layer deposition can be used to produce an advantageous multilayer structure by repeating the ALCVD process described above several times, layers with a high dielectric constant being embedded in interface layers.
  • ALD or ALCVD atomic layer deposition
  • a first precursor layer is usually deposited on the substrate in a first step, the rinsing chambers are then rinsed and then a second precursor layer is deposited on the first precursor layer in a second step, which layer then selectively and connects in a self-limiting manner with the first precursor layer to the desired layer position.
  • the initial growth of the dielectric layers can differ locally (nucleation).
  • Foreign atoms from the precursor materials can also be introduced into the deposited films (e.g. H or C).
  • the idea on which the present invention is based is to separate the deposition of the dielectric layer into a number of sub-steps corresponding to individual layers and, after at least one of the sub-steps, a plasma treatment step, e.g. to carry out a plasma oxidation step and / or a thermal treatment step for structural improvement of the dielectric or for improvement of the stoichiometry and for the removal of interfering foreign atoms.
  • a plasma treatment step e.g. to carry out a plasma oxidation step and / or a thermal treatment step for structural improvement of the dielectric or for improvement of the stoichiometry and for the removal of interfering foreign atoms.
  • the plasma treatment step e.g. the plasma oxidation step and / or the thermal treatment step can be provided as required at any intervals, for example after each deposition cycle or for example after ten deposition cycles or only once in the entire deposition process.
  • the thickness of the dielectric can be reduced in comparison with conventional methods by the treatment in the oxygen-containing plasma.
  • the individual layers of the dielectric layer are formed by an ALD or ALCVD method in each case by depositing at least two precursor layers in a respective deposition cycle.
  • the deposition cycle can also have rinsing steps, etc.
  • a plasma treatment step for example a plasma oxidation step, and / or a thermal treatment step is carried out after the provision of each of the layers.
  • a plasma treatment step e.g. a plasma oxidation step, and / or a thermal treatment step is carried out.
  • a plasma treatment step e.g. a plasma oxidation step and / or a thermal treatment step is carried out only once in the entire deposition process.
  • the thermal treatment step provides an annealing in the temperature range 200 to 1100 ° C., in particular after the deposition of all layers.
  • tempering takes place in a gas atmosphere of one of the following gases or combinations thereof: 0 2 , NO, N0 2 , forming gas, H 2 , N 2 , Ar, NH 3 , wet oxidation gas or similar inert or oxidizing gases ,
  • the plasma treatment step e.g. a plasma oxidation step and / or a thermal treatment step is carried out in situ in the deposition chamber for the layers.
  • the layers contain a binary metal oxide, preferably A1 2 0 3 , Ta 2 Os, Hf0 2 , Zr0 2 , La 2 0 3 , among others.
  • the layers contain a ternary compound, preferably a silicate or an aluminate.
  • the dielectric layer is part of a storage capacitor.
  • the dielectric layer is part of a gate dielectric.
  • the plasma treatment step provides treatment with an activated species, in particular with ozone or UV / ozone.
  • Fig. la-n the process steps essential for understanding the invention for producing an exemplary embodiment of the semiconductor component according to the invention in the form of a trench capacitor
  • FIG. 2a-d a detailed illustration of the method step according to FIG. lh.
  • a pad oxide layer 5 and a pad nitride layer 10 are first deposited on a silicon substrate 1, as shown in FIG.
  • arsenic silicate glass (ASG) 20 is deposited on the resulting structure, so that the ASG 20 in particular completely lines the trenches 2.
  • the resulting structure is filled with photoresist 30.
  • a lacquer recess, or a lacquer removal in the upper region of the trenches 2 then takes place Etching.
  • the ASG 20 is likewise isotropically etched in the unmasked, paint-free region, preferably in a wet-chemical etching process.
  • the paint 30 is then removed in a plasma-assisted and / or wet chemical process.
  • a cover oxide 5 is then deposited on the resulting structure.
  • the arsenic is diffused out of the remaining ASG 20 into the surrounding silicon substrate 1 in a tempering step to form the buried plate or buried plate 60, which forms a first capacitor electrode.
  • the cover oxide 5 and the remaining ASG 20 are then expediently removed by wet chemical means.
  • a special dielectric 70 with a high dielectric constant, here A1 2 0 3 is then deposited on the resulting structure by means of an ALD or ALCVD method (atomic layer deposition).
  • a monolayer of a first precursor P1, here TMA, is deposited in a corresponding ALD deposition chamber over the resulting structure, in particular the substrate 1 in the trench, as shown in FIG. 2a.
  • the ALD-Kainmer is first flushed with a flushing gas, such as N 2 , and then a second precursor P2, here H 2 0, is deposited over the first precursor. According to FIG. 2b, this creates a first monolayer 70 ⁇ of the dielectric 70, here A1 2 0 3 .
  • a plasma oxidation step PL is then carried out in situ in the ALD deposition chamber.
  • oxygen atoms can diffuse from the plasma at points where the monolayer 70 ⁇ is not closed to the silicon substrate 1 and form an SiO 2 layer there, so that a possible leakage current path is closed at the corresponding points.
  • oxygen atoms can occupy free unsaturated bonds to atoms or molecules desired in the dielectric film, e.g. B. in the present example on free Al atoms, so that stoichiometric Al0 3 is also formed here.
  • the plasma oxidation step PL thus virtually compensates for the stoichiometry.
  • free bonds to undesired foreign atoms can be saturated by the plasma oxidation step PL, so that they either do not act as traps or impurities or pass into the gas phase and disappear from the dielectric film.
  • free bonds to carbon atoms can be saturated by the oxygen and thereby form CO 2 . Any hydrogen molecules present can also be removed from the dielectric film 70.
  • the deposition of further layers can 70 ⁇ - 70 n for forming the dielectric layer 70 to repeat until a desired thickness d of the dielectric is achieved.
  • an annealing in the temperature range 400 to 1100 ° C takes place.
  • the tempering can take place in a vacuum or in a gas atmosphere of one of the following gases or a combination of these gases: 0 2 , NO, N0 2 , forming gas, H 2 , N 2 , Ar, NH 3 , wet oxidation gas or a similar oxidizing or inert gas.
  • arsenic-doped polycrystalline silicon 80 is deposited on the resulting structure as a second capacitor plate in a further process step according to FIG. 1 so that it completely fills the trenches 2.
  • polysilicon-germanium or polysilicon-metal layer sequences or also only metal or metal-polysilicon layer sequences could be used for filling.
  • the doped polysilicon 80, or the polysilicon germanium or a metal is etched back to the top of the buried plate 60.
  • the dielectric 70 is then isotropically etched with a high dielectric constant in the upper exposed region of the trenches 2, either with a wet chemical or a dry chemical etching method.
  • a collar oxide is 5 ⁇ in the upper region of the trenches 2 are formed. This is done by a full-surface oxide deposition and a subsequent anisotropic etching of the oxide, so that the collar oxide 5 ⁇ x remains on the side walls in the upper trench area.
  • the plasma oxidation step PL has an advantageous effect on the leakage current distribution of the individual capacitors.
  • the invention can be used for any multilayer dielectric layers.
  • the present invention is particularly applicable to all memory products and gate materials.

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Abstract

The invention concerns a method for making a semiconductor component using a dielectric coating (701, , 70n) with several layers provided on or in a substrate (1). The invention is characterized in that after one of the layers (701, , 70n) has been prepared, it consists in carrying out a plasma treatment, for example, plasma oxidation, and/or heat treatment.

Description

Beschreibungdescription
Herstellungsverfahren für ein HalbleiterbauelementManufacturing method for a semiconductor device
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement mit einer auf bzw . in einem Substrat vorgesehenen mehrlagigen dielektrischen Schicht .The present invention relates to a manufacturing method for a semiconductor component with a. multilayer dielectric layer provided in a substrate.
Der Begriff Substrat soll im allgemeinen Sinne verstanden werden und kann daher sowohl einschichtige als auch mehrschichtige Substrate umfassen .The term substrate is to be understood in the general sense and can therefore include both single-layer and multi-layer substrates.
Obwohl auf beliebige Halbleiterbauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zu Grunde liegende Problematik in Bezug auf Kondensatoren in Silizium-Technologie erläutert .Although applicable to any semiconductor components, the present invention and the underlying problem with regard to capacitors in silicon technology are explained.
In dynamischen Schreib-/Lese-Speichern ( DRAMs ) werden sogenannte Ein-Transistor-Zellen eingesetzt . Diese bestehen aus einem Speicherkondensator und einem Auswahltransistor der die Speicherelektrode mit der Bitleitung verbindet . Der Speicherkondensator kann als Grabenkondensator (Trench Capacitor) oder als Stapelkondensator (Stacked Capacitor) ausgebildet werden . Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich u . a . auf beliebige Kondensatoren für solche DRAMs in Form von Grabenkondensatoren und Stapelkondensatoren .So-called one-transistor cells are used in dynamic read / write memories (DRAMs). These consist of a storage capacitor and a selection transistor that connects the storage electrode to the bit line. The storage capacitor can be designed as a trench capacitor or as a stacked capacitor. The invention described here relates u. a. on any capacitors for such DRAMs in the form of trench capacitors and stack capacitors.
Es ist bekannt, einen solchen Kondensator, z . B . für ein DRAM (dynamischer Schreib-/Lese-Speicher) mit dem Aufbau Elektro- denschicht-Isolatorschicht-Elektrodenschicht herzustellen, wobei die Elektrodenschichten Metallschichten oder (Poly) - Siliziumschichten sein können .It is known to use such a capacitor, e.g. B. to produce for a DRAM (dynamic read / write memory) with the structure of electrode layer-insulator-layer-electrode layer, the electrode layers being metal layers or (poly) silicon layers.
Um die Speicherdichte für zukünftige Technologie-Generationen weiter zu erhöhen, wird die Strukturgröße von Generation zu Generation verkleinert . Die immer kleiner werdende Kondensa- torfläche und die dadurch bedingte kleiner werdende Kondensatorkapazität führt zu Problemen . Deshalb ist es wichtig, die Kondensatorkapazität trotz kleinerer Strukturgröße mindestens konstant zu halten . Dies kann unter anderem durch eine Erhö- hung der Flächenladungsdichte des Speicherkondensators erreicht werden .In order to further increase the storage density for future technology generations, the structure size is reduced from generation to generation. The ever smaller condensate door area and the resulting decreasing capacitor capacity leads to problems. It is therefore important to keep the capacitor capacity at least constant despite the smaller structure size. This can be achieved, among other things, by increasing the surface charge density of the storage capacitor.
Bisher wurde dieses Problem einerseits durch eine Vergrößerung der zur Verfügung stehenden Kondensatorfläche (bei vor- gegebener Strukturgröße) gelöst . Dies kann z . B . durch die Abscheidung von Poly-Silizium mit rauher Oberfläche (Hemi- spherical Silicon Grains ) im Trench oder auf die untere Elektrode des Stapelkondensators erreicht werden . Andererseits wurde bisher die Flächenladungsdichte durch eine Verringerung der Dicke des Dielektrikums erhöht . Dabei wurden bisher als Dielektrikum für DRAM-Kondensatoren ausschließlich verschiedener Kombinationen von Si02 (Siliziumoxid) und Si3N (Siliziumnitrid) verwendet . Eine weitere Verringerung der Dicke dieser Dielektrika ist aufgrund der dadurch verursachten erhöh- ten Leckströme nicht möglich .So far, this problem has been solved on the one hand by increasing the available capacitor area (with a given structure size). This can e.g. B. by depositing polysilicon with a rough surface (hemispherical silicon grains) in the trench or on the lower electrode of the stacked capacitor. On the other hand, the surface charge density has hitherto been increased by reducing the thickness of the dielectric. So far, only different combinations of Si0 2 (silicon oxide) and Si 3 N (silicon nitride) have been used as a dielectric for DRAM capacitors. A further reduction in the thickness of these dielectrics is not possible due to the increased leakage currents caused thereby.
Für Stapel-Kondensatoren wurden ferner einige wenige Materialen mit höherer Dielektrizitätskonstante vorgeschlagen . Explizit gehören dazu Ta2Os und BST (Barium-Strontium-Titanat) . Diese Materialen sind j edoch in direktem Kontakt mit Silizium oder Poly-Silizium nicht temperaturstabil . Außerdem sind sie nur unzureichend temperaturstabil .A few materials with a higher dielectric constant have also been proposed for stacked capacitors. This explicitly includes Ta 2 Os and BST (barium strontium titanate). However, these materials are not temperature stable in direct contact with silicon or polysilicon. In addition, they are insufficiently temperature stable.
Des weiteren wurde vorgeschlagen, Abscheideverfahren mit sehr guter Kantenbedeckung und exzellenter Schichtdickenkontrolle (wie z . B . Atomic Layer Deposition (ALD bzw . ALCVD) ) anzuwenden, wodurch die Dielektrika-Materialen in Strukturen mit sehr hohen Aspekt -Verhältnissen mit sehr guter Kantenbedek- kung kontrolliert abgeschieden werden können . Insbesondere können diese vorgeschlagenen Abscheideverfahren sehr gut mit Verfahren zur Oberflächenvergrößerung (z.B. Wet Bottle, HSG) kombiniert werden.Furthermore, it was proposed to use deposition processes with very good edge coverage and excellent layer thickness control (such as, for example, atomic layer deposition (ALD or ALCVD)), as a result of which the dielectric materials in structures with very high aspect ratios with very good edge coverage can be deposited in a controlled manner. In particular, these proposed deposition processes are very good at Surface enlargement processes (e.g. wet bottle, HSG) can be combined.
Durch Atomic Layer Deposition (ALD bzw. ALCVD) läßt sich eine vorteilhafte Mehrlagenstruktur durch mehrmaliges Wiederholen des oben beschriebenen ALCVD-Verfahrens herstellen, wobei Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante in Interfaceschichten eingebettet werden. Bei der Atomic Layer Deposition (ALD bzw. ALCVD) scheidet man üblicherweise in einem ersten Schritt eine erste Prekursorlage auf dem Substrat ab, spült anschließend die Abscheidekämmer und scheidet dann in einem zweiten Schritt eine zweite Prekursorlage auf der ersten Prekursorlage ab, welche sich dann selektiv und selbstlimitierend mit der ersten Prekursorlage zur gewünschten Schichtlage verbindet. Als Beispiel seien die Prekursoren TMA (TMA = Tri- methylaluminium Al(CH3)3) und H20 zur Bildung einer A1203- Schichtlage genannt. Selbstverständlich gibt es auch Beispiele mit mehr als zwei Prekursoren.Atomic layer deposition (ALD or ALCVD) can be used to produce an advantageous multilayer structure by repeating the ALCVD process described above several times, layers with a high dielectric constant being embedded in interface layers. In atomic layer deposition (ALD or ALCVD), a first precursor layer is usually deposited on the substrate in a first step, the rinsing chambers are then rinsed and then a second precursor layer is deposited on the first precursor layer in a second step, which layer then selectively and connects in a self-limiting manner with the first precursor layer to the desired layer position. The precursors TMA (TMA = trimethylaluminum Al (CH 3 ) 3 ) and H 2 0 to form an A1 2 0 3 layer layer may be mentioned as an example. Of course there are also examples with more than two precursors.
Bei den erwähnten ALD- bzw. ALCVD-Verfahren können sich allerdings Abweichungen der Stöchiometrie der abgeschiedenen Schichtlagen von der stabilen chemischen Zusammensetzung der Materialien ergeben. Weiterhin kann das anfängliche Wachstum der dielektrischen Schichten örtlich verschieden sein (Nu- kleation) . Außerdem können Fremdatome aus den Precursormate- rialien in die abgeschiedenen Filme eingebracht werden (z.B. H oder C) .In the case of the ALD or ALCVD processes mentioned, however, there may be deviations in the stoichiometry of the deposited layer layers from the stable chemical composition of the materials. Furthermore, the initial growth of the dielectric layers can differ locally (nucleation). Foreign atoms from the precursor materials can also be introduced into the deposited films (e.g. H or C).
Solche Schwachstellen und Inhomogenitäten im Dielektrikum führen zu Leckströmen oder Durchbrüchen. Dadurch wird die minimal mögliche Schichtdicke des Dielektrikums limitiert.Such weak points and inhomogeneities in the dielectric lead to leakage currents or breakdowns. This limits the minimum possible layer thickness of the dielectric.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art an- zugeben, das ein Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskon- stante und noch geringere Leckströmen bzw. Leckstromverteilungen und mindestens gleicher Kapazität liefern kann.It is the object of the present invention to specify an improved production method of the type mentioned at the outset, which uses a dielectric with a high dielectric constant. constant and even lower leakage currents or leakage current distributions and at least the same capacity.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Herstellungsverfahren gelöst.According to the invention, this object is achieved by the manufacturing method specified in claim 1.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Idee besteht darin, die Abscheidung der dielektrischen Schicht in mehrere Teilschritte entsprechend einzelner Lagen zu zerlegen und nach mindestens einem der Teilschritte einen Plasmabehandlungsschritt, z.B. einen Plasmaoxidationsschritt, und/oder einen thermischen Behandlungsschritt zur strukturellen Verbesserung des Dielektrikums bzw. zur Verbesserung der Stö- chiometrie und zur Entfernung von störenden Fremdatomen durchzuführen.The idea on which the present invention is based is to separate the deposition of the dielectric layer into a number of sub-steps corresponding to individual layers and, after at least one of the sub-steps, a plasma treatment step, e.g. to carry out a plasma oxidation step and / or a thermal treatment step for structural improvement of the dielectric or for improvement of the stoichiometry and for the removal of interfering foreign atoms.
Der Plasmabehandlungsschritt, z.B. der Plasmaoxidationsschritt, und/oder der thermische Behandlungsschritt können je nach Notwendigkeit in beliebigen Intervallen vorgesehen wer- den, beispielsweise nach jeweils einem Abscheidezyklus oder beispielsweise jeweils nach zehn Abscheidezyklen oder nur einmal im gesamten Abscheideprozeß.The plasma treatment step, e.g. the plasma oxidation step and / or the thermal treatment step can be provided as required at any intervals, for example after each deposition cycle or for example after ten deposition cycles or only once in the entire deposition process.
Vorteilhafterweise kann durch die Behandlung im sauerstoff- haltigen Plasma die Dicke des Dielektrikums im Vergleich zu üblichen Verfahren reduziert werden.Advantageously, the thickness of the dielectric can be reduced in comparison with conventional methods by the treatment in the oxygen-containing plasma.
In den ünteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfin- düng.Advantageous further developments and improvements of the respective subject of the invention can be found in the subordinate claims.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden die einzelnen Lagen der dielektrischen Schicht durch ein ALD- bzw. ALCVD- Verfahren jeweils durch Abscheidung mindestens zweier Prekur- sorlagen in einem jeweiligen Abscheidezyklus gebildet. Der Abscheidezyklus kann zudem Spülschritte etc. aufweisen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird nach dem Vorsehen jeder der Lagen ein Plasmabehandlungsschritt, z.B. ein Plasmaoxidationsschritt, und/oder ein thermischer Behand- lungsschritt durchgeführt.According to a preferred development, the individual layers of the dielectric layer are formed by an ALD or ALCVD method in each case by depositing at least two precursor layers in a respective deposition cycle. The deposition cycle can also have rinsing steps, etc. According to a further preferred development, a plasma treatment step, for example a plasma oxidation step, and / or a thermal treatment step is carried out after the provision of each of the layers.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird jeweils nach dem Vorsehen einer vorbestimmten Anzahl der Lagen ein Plasmabehandlungsschritt, z.B. ein Plasmaoxidationsschritt, und/oder ein thermischer Behandlungsschritt durchgeführt.According to a further preferred development, after the provision of a predetermined number of layers, a plasma treatment step, e.g. a plasma oxidation step, and / or a thermal treatment step is carried out.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird ein Plasmabehandlungsschritt, z.B. ein Plasmaoxidationsschritt, und/oder ein thermischer Behandlungsschritt nur einmal im ge- samten Abscheideprozeß durchgeführt.According to a further preferred development, a plasma treatment step, e.g. a plasma oxidation step and / or a thermal treatment step is carried out only once in the entire deposition process.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sieht der thermische Bahandlungsschritt eine Temperung im Temperaturbereich 200 bis 1100 °C, insbeosndere nach der Abscheidung al- 1er Lagen vor.According to a further preferred development, the thermal treatment step provides an annealing in the temperature range 200 to 1100 ° C., in particular after the deposition of all layers.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung findet eine Temperung in einer Gasatmosphäre eines der folgenden Gase oder Kombinationen dieser statt: 02, NO, N02, Formiergas, H2, N2, Ar, NH3, Naßoxidationsgas oder ähnliche inerte oder oxi- dierende Gasen.According to a further preferred development, tempering takes place in a gas atmosphere of one of the following gases or combinations thereof: 0 2 , NO, N0 2 , forming gas, H 2 , N 2 , Ar, NH 3 , wet oxidation gas or similar inert or oxidizing gases ,
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Plasmabehandlungsschritt, z.B. ein Plasmaoxidationsschritt, und/oder ein thermischer Behandlungsschritt in situ in der Abscheidekammer für die Lagen durchgeführt.According to a further preferred development, the plasma treatment step, e.g. a plasma oxidation step and / or a thermal treatment step is carried out in situ in the deposition chamber for the layers.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung enthalten die Lagen ein binäres Metalloxid, vorzugsweise A1203, Ta2Os, Hf02, Zr02, La203, u.a.. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung enthalten die Lagen eine ternäre Verbindung, vorzugsweise ein Silikat oder ein Aluminat.According to a further preferred development, the layers contain a binary metal oxide, preferably A1 2 0 3 , Ta 2 Os, Hf0 2 , Zr0 2 , La 2 0 3 , among others. According to a further preferred development, the layers contain a ternary compound, preferably a silicate or an aluminate.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die dielektrische Schicht Bestandteil eines Speicherkondensators.According to a further preferred development, the dielectric layer is part of a storage capacitor.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung enthalten ist die dielektrische Schicht Bestandteil eines Gate-Dielektri- ku s .According to a further preferred development, the dielectric layer is part of a gate dielectric.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sieht der Plasmabehandlungsschritt eine Behandlung mit einer aktivierten Spezies, insbesondere mit Ozon oder UV/Ozon, vor.According to a further preferred development, the plasma treatment step provides treatment with an activated species, in particular with ozone or UV / ozone.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt un in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.An embodiment of the invention is illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigen:Show it:
Fig . la-n die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiterbauele- ents in Form eines Grabenkondensators ; undFig. la-n the process steps essential for understanding the invention for producing an exemplary embodiment of the semiconductor component according to the invention in the form of a trench capacitor; and
Fig . 2a-d eine detaillierte Darstellung des Verfahrensschrittes nach Fig . lh .Fig. 2a-d a detailed illustration of the method step according to FIG. lh.
In den Figuren la-n bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente .In the figures la-n, the same reference numerals designate the same or functionally identical elements.
Bei der vorliegenden ersten Ausführungsform werden zunächst auf einem Siliziumsubstrat 1 eine Padoxidsschicht 5 und eine Padnitridschicht 10 abgeschieden, wie in Figur la gezeigt .In the present first embodiment, a pad oxide layer 5 and a pad nitride layer 10 are first deposited on a silicon substrate 1, as shown in FIG.
Dann wird eine weitere (nicht dargestellte ) Oxidschicht abge- schieden und diese Schichten werden dann mittels einer ebenfalls nicht gezeigten Photolackmaske und einem entsprechenden Ätzverfahren zu einer sogenannten Hartmaske strukturiert. Unter Verwendung dieser Hartmaske werden Gräben 2 mit einer ty- pischen Tiefe von circa 1-10 um in das Siliziumsubstrat 1 geätzt. Danach wird die oberste Oxidschicht entfernt, um zum in Fig. la dargestellten Zustand zu gelangen.Then another oxide layer (not shown) is removed and these layers are then structured into a so-called hard mask by means of a photoresist mask, also not shown, and a corresponding etching process. Using this hard mask, trenches 2 are etched into the silicon substrate 1 with a typical depth of approximately 1-10 μm. The top oxide layer is then removed in order to reach the state shown in FIG.
In einem folgenden Prozessschritt wird, wie in Figur lb ge- zeigt, Arsensilikatglas (ASG) 20 auf der resultierenden Struktur abgeschieden, so daß das ASG 20 insbesondere die Gräben 2 vollständig auskleidet.In a subsequent process step, as shown in FIG. 1b, arsenic silicate glass (ASG) 20 is deposited on the resulting structure, so that the ASG 20 in particular completely lines the trenches 2.
In einem weiteren Prozessschritt erfolgt, wie in Figur lc ge- zeigt, ein Auffüllen der resultierenden Struktur mit Photolack 30. Gemäß Figur ld erfolgt danach ein Lack-Recess, bzw. eine Lackentfernung im oberen Bereich der Gräben 2. Dies geschieht zweckmäßigerweise durch isotropes trockenchemisches Ätzen.In a further process step, as shown in FIG. 1c, the resulting structure is filled with photoresist 30. According to FIG. 1d, a lacquer recess, or a lacquer removal in the upper region of the trenches 2, then takes place Etching.
In einem weiteren Prozessschritt gemäß Figur le erfolgt ein ebenfalls isotropes Ätzen des ASG 20 im unmaskierten, lackfreien Bereich, und zwar vorzugsweise in einem nasschemischen Ätzprozess. Daraufhin wird der Lack 30 in einem plasmage- stützten und/oder nasschemischen Prozess entfernt.In a further process step according to FIG. 1E, the ASG 20 is likewise isotropically etched in the unmasked, paint-free region, preferably in a wet-chemical etching process. The paint 30 is then removed in a plasma-assisted and / or wet chemical process.
Wie in Figur lf gezeigt, wird danach ein Deckoxid 5 auf der resultierenden Struktur abgeschieden.As shown in FIG. 1f, a cover oxide 5 is then deposited on the resulting structure.
In einem weiteren Prozessschritt gemäß Fig. lg erfolgt eine Ausdiffusion des Arsen aus dem übrig gebliebenen ASG 20 in das umliegende Siliziumsubstrat 1 in einem Temperschritt zur Bildung der vergrabenen Platte bzw. Buried Plate 60, welche eine erste Kondensatorelektrode bildet. Daran anschließend werden das Deckoxid 5 und das übrige ASG 20 zweckmäßigerweise nasschemisch entfernt. Gemäß Figur 1h wird dann ein spezielles Dielektrikum 70 mit hoher Dielektrizitätskonstante, hier A1203, mittels eines ALD- bzw. ALCVD-Verfahrens (Atomic Layer Deposition) auf die resultierende Struktur abgeschieden.In a further process step according to FIG. 1g, the arsenic is diffused out of the remaining ASG 20 into the surrounding silicon substrate 1 in a tempering step to form the buried plate or buried plate 60, which forms a first capacitor electrode. The cover oxide 5 and the remaining ASG 20 are then expediently removed by wet chemical means. According to FIG. 1h, a special dielectric 70 with a high dielectric constant, here A1 2 0 3 , is then deposited on the resulting structure by means of an ALD or ALCVD method (atomic layer deposition).
Fig. 2a-d eine detaillierte Darstellung des Verfahrensschrittes nach Fig. 1h.2a-d a detailed illustration of the method step according to FIG. 1h.
Zunächst wird dazu eine Monolage eines ersten Precursors Pl, hier TMA, in einer entsprechenden ALD-Abscheidekammer über der resultierenden Struktur, insbesondere dem Substrat 1 im Graben, abgeschieden, wie in Fig. 2a gezeigt.First, a monolayer of a first precursor P1, here TMA, is deposited in a corresponding ALD deposition chamber over the resulting structure, in particular the substrate 1 in the trench, as shown in FIG. 2a.
In einem darauffolgenden Prozeßschritt wird die ALD-Kainmer zunächst mit einem Spülgas, wie z.B. N2, gespült und dann ein zweiter Precursor P2, hier H20, über dem ersten Precursor abgeschieden. Dies schafft gemäß Fig. 2b eine erste Monolage 70ι des Dielektrikums 70, hier A1203.In a subsequent process step, the ALD-Kainmer is first flushed with a flushing gas, such as N 2 , and then a second precursor P2, here H 2 0, is deposited over the first precursor. According to FIG. 2b, this creates a first monolayer 70ι of the dielectric 70, here A1 2 0 3 .
In einem darauffolgenden Prozeßschritt gemäß Fig. 2c erfolgt dann in der ALD-Abscheidekammer in situ ein Plasmaoxidationsschritt PL.In a subsequent process step according to FIG. 2c, a plasma oxidation step PL is then carried out in situ in the ALD deposition chamber.
Durch diesen Plasmaoxidationsschritt PL können Sauerstoffatome aus dem Plasma an Stellen, an denen die Monolage 70ι nicht geschlossen ist, zum Siliziumsubstrat 1 diffundieren und dort eine Si02-Schicht bilden, so daß ein möglicher Leckstrompfad an den entsprechenden Stellen geschlossen ist.By means of this plasma oxidation step PL, oxygen atoms can diffuse from the plasma at points where the monolayer 70ι is not closed to the silicon substrate 1 and form an SiO 2 layer there, so that a possible leakage current path is closed at the corresponding points.
Weiterhin können Sauerstoffatome freie ungesättigte Bindungen an im dielektrischen Film gewünschten Atomen oder Molekülen besetzen, z. B. im vorliegenden Beispiel an freien AI-Atomen, so daß sich auch hier stöchiometrisches Al03 bildet. Somit findet durch den Plasmaoxidationsschritt PL quasi ein Ausgleich der Stöchiometrie statt. Weiterhin lassen sich durch den Plasmaoxidationsschritt PL freie Bindungen an unerwünschten Fremdatomen absättigen, so daß diese entweder nicht als Fangstellen oder Störstellen wirken oder in die Gasphase übergehen und aus dem dielektrischen Film verschwinden. Beispielsweise lassen sich durch den Sauerstoff freie Bindungen an C-Atomen absättigen und dadurch C02 bilden. Auch lassen sich gegebenenfalls vorhandene Was- serstoffmoleküle aus dem dielektrischen Film 70 entfernen.Furthermore, oxygen atoms can occupy free unsaturated bonds to atoms or molecules desired in the dielectric film, e.g. B. in the present example on free Al atoms, so that stoichiometric Al0 3 is also formed here. The plasma oxidation step PL thus virtually compensates for the stoichiometry. Furthermore, free bonds to undesired foreign atoms can be saturated by the plasma oxidation step PL, so that they either do not act as traps or impurities or pass into the gas phase and disappear from the dielectric film. For example, free bonds to carbon atoms can be saturated by the oxygen and thereby form CO 2 . Any hydrogen molecules present can also be removed from the dielectric film 70.
Gemäß Fig. 2d läßt sich die Abscheidung von weiteren Lagen 70ι - 70n zur Bildung der dielektrischen Schicht 70 so lange wiederholen, bis eine gewünschte Dicke d des Dielektrikums erreicht worden ist.Referring to FIG. 2d the deposition of further layers can 70ι - 70 n for forming the dielectric layer 70 to repeat until a desired thickness d of the dielectric is achieved.
Nach der Abscheidung des gesamten Lagenstapels 70ι ... 70n erfolgt eine Temperung im Temperaturbereich 400 bis 1100 °C. Die Temperung kann im Vakuum oder in einer Gasatmosphäre eines der folgenden Gase oder einer Kombination dieser Gase stattfinden: 02, NO, N02, Formiergas, H2, N2, Ar, NH3, Naßoxidationsgas oder ein ähnliches oxidierendes oder inertes Gas.After the deposition of the entire layer stack 70ι ... 70 n , an annealing in the temperature range 400 to 1100 ° C takes place. The tempering can take place in a vacuum or in a gas atmosphere of one of the following gases or a combination of these gases: 0 2 , NO, N0 2 , forming gas, H 2 , N 2 , Ar, NH 3 , wet oxidation gas or a similar oxidizing or inert gas.
Nach der Bildung des speziellen Dielektrikums 70 wird in einem weiteren Prozessschritt gemäß Figur li als zweite Konden- satorplatte Arsen-dotiertes polykristallines Silizium 80 auf der resultierenden Struktur abgeschieden, so daß es die Gräben 2 vollständig ausfüllt. Alternativermaßen könnte auch Po- lysilizium-Germanium oder Polysilizium-Metall Schichtfolgen oder auch nur Metall- bzw. Metall-Polysilizium-Schichtfolgen zur Auffüllung verwendet werden.After the formation of the special dielectric 70, arsenic-doped polycrystalline silicon 80 is deposited on the resulting structure as a second capacitor plate in a further process step according to FIG. 1 so that it completely fills the trenches 2. Alternatively, polysilicon-germanium or polysilicon-metal layer sequences or also only metal or metal-polysilicon layer sequences could be used for filling.
In einem darauffolgenden Prozessschritt gemäß Fig. lj wird das dotierte Polysilizium 80, bzw. das Poly-Silizium- Germanium oder ein Metal bis zur Oberseite der Buried Plate 60 zurückgeätzt. Zur Erreichung des in Figur 1k dargestellten Zustands erfolgt dann ein isotropes Ätzen des Dielektrikums 70 mit hoher Dielektrizitätskonstante im oberem freigelegten Bereich der Gräben 2, und zwar entweder mit einem nasschemischen oder einem trockenchemischen Ätzverfahren.In a subsequent process step according to FIG. 1 j, the doped polysilicon 80, or the polysilicon germanium or a metal is etched back to the top of the buried plate 60. To achieve the state shown in FIG. 1k, the dielectric 70 is then isotropically etched with a high dielectric constant in the upper exposed region of the trenches 2, either with a wet chemical or a dry chemical etching method.
In einem darauffolgenden Prozessschritt gemäß Fig. 11 wird ein Kragenoxid 5 λ im oberen Bereich der Gräben 2 gebildet. Dies geschieht durch eine ganzflächige Oxidabscheidung und ein darauffolgendes anisotropes Ätzen des Oxids, so daß das Kragenoxid 5 λ x an den Seitenwänden im oberen Grabenbereich stehenbleibt.In a subsequent process step shown in FIG. 11, a collar oxide is 5 λ in the upper region of the trenches 2 are formed. This is done by a full-surface oxide deposition and a subsequent anisotropic etching of the oxide, so that the collar oxide 5 λ x remains on the side walls in the upper trench area.
Wie in Figur Im illustriert, wird in einem darauffolgenden Prozessschritt erneut mit Arsen dotiertes Polysilizium 80 Λ abgeschieden und zurückgeätzt.As illustrated in FIG Im, is deposited in a subsequent process step again doped with arsenic polysilicon 80 Λ and etched back.
Gemäß Figur In folgt schließlich eine nasschemische Entfernung des Kragenoxids 5 > im oberen Grabenbereich.According to FIG. In, there is finally a wet chemical removal of the collar oxide 5 > in the upper trench region.
Damit ist die Ausbildung des Grabenkondensators im Wesentlichen beendet. Das Bilden der Kondensatoranschlüsse sowie die Herstellung und Verbindung mit dem zugehörigen Auswahltransistor sind im Stand der Technik wohl bekannt und benötigen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung keiner weiteren Erwähnung.This essentially completes the formation of the trench capacitor. The formation of the capacitor connections as well as the production and connection with the associated selection transistor are well known in the prior art and require no further mention to explain the present invention.
Es hat sich gezeigt, daß der Plasmaoxidationsschritt die Kapazität pro Grabenkondensator bzw. pro Speicherzelle nicht beeinflußt.It has been shown that the plasma oxidation step does not influence the capacitance per trench capacitor or per memory cell.
Des weiteren hat sich gezeigt, daß beispielsweise bei einem Dielektrikum 70 aus AlO sich der Plasmaoxidationsschritt PL vorteilhaft auf die Leckstromverteilung der einzelnen Konden- satoren auswirkt. Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Furthermore, it has been shown that, for example in the case of a dielectric 70 made of AlO, the plasma oxidation step PL has an advantageous effect on the leakage current distribution of the individual capacitors. Although the present invention has been described above on the basis of a preferred exemplary embodiment, it is not restricted to this but can be modified in a variety of ways.
Insbesondere ist die Erfindung für beliebige mehrlagigen dielektrische Schichten anwendbar.In particular, the invention can be used for any multilayer dielectric layers.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf sämtliche Speicherprodukte und Gate-Materialien anwendbar. The present invention is particularly applicable to all memory products and gate materials.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Herstellungsverfahren für ein HalbleiterbauelementManufacturing method for a semiconductor device
1 Siliziumsubstrat1 silicon substrate
3 aufgeweiteter Bereich3 expanded area
5 Padoxid5 pad oxide
5 Λ Deckoxid5 Λ top oxide
5 Kragenoxid5 collar oxide
10 Padnitrid10 pad nitride
20 ASG20 ASG
30 Photolack30 photoresist
60 Buried Plate60 buried plate
70 Dielektrikum70 dielectric
80, 80 Λ dotiertes Polysilizium80, 80 Λ doped polysilicon
P1,P2 erster, zweiter PrekursorP1, P2 first, second precursor
70χ ... 70n Lagen70χ ... 70 n layers
PL Plasmaoxidationsschritt PL plasma oxidation step

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements' mit einer auf bzw. in einem Substrat (1) vorgesehenen mehrlagigen dielektrischen Schicht (70; 70ι...70n),1. A method of manufacturing a semiconductor device 'with a recess provided on or in a substrate (1) multi-layer dielectric layer (70; 70ι ... 70 n),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens nach dem Vorsehen einer der Lagen (70ι ... 70n) ein Plasmabehandlungsschritt, z.B. ein Plasmaoxida- tionsschritt, und/oder ein thermischer Behandlungsschritt durchgeführt wird.characterized in that at least after the provision of one of the layers (70ι ... 70 n ), a plasma treatment step, for example a plasma oxidation step, and / or a thermal treatment step is carried out.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die einzelnen Lagen (70ι ... 70n) der dielektrischen2. The method according to claim 1, characterized in that the individual layers (70ι ... 70 n ) of the dielectric
Schicht (70; 70ι ... 70n) durch ein ALD- bzw. ALCVD-Verfahren jeweils durch Abscheidung mindestens zweier Prekursorlagen in einem jeweiligen Abscheidezyklus gebildet werden.Layer (70; 70ι ... 70 n ) are formed by an ALD or ALCVD process in each case by deposition of at least two precursor layers in a respective deposition cycle.
3. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß nach dem Vorsehen jeder der Lagen (70ι...70n) ein Plasmabehandlungsschritt, z.B. ein Plasmaoxidationsschritt, und/oder ein thermischer Behandlungsschritt durchgeführt wird.3. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that after the provision of each of the layers (70ι ... 70 n ), a plasma treatment step, for example a plasma oxidation step, and / or a thermal treatment step is carried out.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jeweils nach dem Vorsehen einer vorbestimmten Anzahl der Lagen (70χ ... 70n) ein Plasmabehandlungsschritt, z.B. ein Plasmaoxidationsschritt, und/oder ein thermischer Behandlungsschritt durchgeführt wird.4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that in each case after the provision of a predetermined number of layers (70χ ... 70 n ), a plasma treatment step, for example a plasma oxidation step, and / or a thermal treatment step is carried out.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Plasmabehandlungsschritt, z.B. ein Plasmaoxidationsschritt, und/oder ein thermischer Behandlungsschritt nur einmal im gesamten Abscheideprozeß durchgeführt.5. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a plasma treatment step, for example a plasma oxidation step, and / or a thermal treatment step is carried out only once in the entire deposition process.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der thermische Behandlungsschritt eine Temperung im Temperaturbereich 200 bis 1100 °C vorsieht.6. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the thermal treatment step provides an annealing in the temperature range 200 to 1100 ° C.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß nach der Abscheidung aller Lagen (70ι ... 70n) eine Temperung im Temperaturbereich 200 bis 1100 °C erfolgt.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that after the deposition of all layers (70ι ... 70 n ) an annealing in the temperature range 200 to 1100 ° C takes place.
8. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Temperung in einer Gasatmosphäre eines der folgenden Gase oder Kombinationen dieser stattfindet: 02, NO, N02, Formiergas, W_, N2, Ar, NH3, Naßoxidationsgas oder ähnliche iner- te oder oxidierende Gasen.8. The method according to claim 5, characterized in that the tempering takes place in a gas atmosphere of one of the following gases or combinations thereof: 0 2 , NO, N0 2 , forming gas, W_, N 2 , Ar, NH 3 , wet oxidation gas or similar inert or oxidizing gases.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Plasmabehandlungsschritt, z.B. ein Plasmaoxida- tionsschritt, und/oder ein thermischer Behandlungsschritt in situ in einer Abscheidekammer für die Lagen (70ι ... 70n) durchgeführt wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the plasma treatment step, for example a plasma oxidation step, and / or a thermal treatment step is carried out in situ in a deposition chamber for the layers (70ι ... 70 n ).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Lagen (70χ ... 70n) ein binäres Metalloxid, vorzugsweise A1203, Ta05, Hf02, Zr02, La203, u.a. enthalten.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the layers (70χ ... 70 n ) contain a binary metal oxide, preferably A1 2 0 3 , Ta0 5 , Hf0 2 , Zr0 2 , La 2 0 3 , among others.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Lagen (70ι ... 70n) eine ternäre Verbindung, vorzugsweise ein Silikat oder ein Aluminat, enthalten.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the layers (70ι ... 70 n ) contain a ternary compound, preferably a silicate or an aluminate.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die dielektrische Schicht (70; 70ι...70n) Bestandteil eines Speicherkondensators ist.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the dielectric layer (70; 70ι ... 70 n ) is part of a storage capacitor.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die dielektrische Schicht (70; 70_....70n) Bestandteil eines Gate-Dielektrikums ist.13. The method according to any one of the preceding claims 1 to 11, characterized in that the dielectric layer (70; 70 _.... 70 n ) is part of a gate dielectric.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Plasmabehandlungsschritt eine Behandlung mit einer aktivierten Spezies, insbesondere mit Ozon oder UV/Ozon, vorsieht. 14. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the plasma treatment step provides treatment with an activated species, in particular with ozone or UV / ozone.
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